GH4169合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测

以高性能航空发动机涡轮盘和压气机盘为背景，采用有限元数值模拟方法，对GH4169合金模拟件的惯性摩擦焊接过程进行了分析与计算，基于金属塑性变形的物理基础，建立了GH4169合金惯性摩擦焊接过程显微组织的演化模型；通过高温合金在热成形过程中的再结晶发生条件，再结晶体积分数、晶粒尺寸与热力参数（应变速率、应变程度、成形温度）之间的映像关系，对惯性摩擦焊接热力影响区的再结晶组织进行了模拟计算。从而为合理地制定焊接热力规范，提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了参考。     

单晶DD3与细晶GH4169高温合金摩擦焊接界面表征

采用SEM,TEM及EDS对制造焊接式整体涡轮叶盘所用的单晶DD3与细晶GH4169高温合金摩擦焊接界面进行了研究.结果表明,焊合区存在一条以GH4169合金为主的摩擦变形带,两侧单晶和细晶合金的热力影响区均形成了动态再结晶晶粒;连接界面处于两侧合金的动态再结晶晶粒之间,通过连接界面上的共有晶粒和共有晶界实现了两侧合金的连接;成分过渡主要发生在连接界面处的共有晶粒内和共有晶界处.TEM分析位置的共有晶粒(C2)与相邻GH4169动态再结晶晶粒(C3)具有特殊的取向关系:[1ˉ14]C2∥[1ˉ10]C3和(220)C2∥(220)C3;在摩擦焊热循环及焊后热处理作用下,共有晶粒、两侧动态再结晶晶粒都存在γ'相析出,γ'相呈细小的球形分布,并与γ基体共格,但未发现有γ"相析出.     

GH4169合金涡轮盘热模锻中晶粒尺寸演变的数值模拟与分析

针对GH4169合金涡轮盘热模锻中易出现粗晶、混晶等显微组织缺陷,通过热模拟压缩实验和热变形后热处理实验,研究分析了GH4169合金在热变形和后续热处理中的显微组织演变规律,并建立了晶粒尺寸演变模型。实验结果表明:GH4169合金在热变形中的主要显微组织演变机制为动态再结晶,热变形后热处理中的主要显微组织演变机制为晶粒长大和孪晶生成。将晶粒尺寸演变模型与有限元结合,对某GH4169合金涡轮盘热模锻中的晶粒尺寸演变进行了预测分析,预测结果与实际结果一致。     

变形工艺参数对GH4169合金热变形组织演变的影响

通过高温热压缩实验,分析了不同变形温度、应变速率和变形程度对GH4169合金显微组织演化的影响规律。结果表明,当变形温度小于940℃时合金为混晶组织,当变形温度高于1 020℃发生了完全的动态再结晶;理想的加工工艺参数为应变速率小于0.01 s-1,变形温度在980~1 020℃之间,获得的热变形组织为均匀的等轴晶组织。     

粗晶GH4720Li合金热变形行为与动态再结晶特点

为了模拟难变形镍基高温合金GH4720Li开坯锻造过程,采用Gleeble-3800热模拟试验机研究经均匀化处理的GH4720Li铸锭高温压缩变形时的力学流动行为,分析高温变形过程中微观组织演化规律。结果表明,GH4720Li合金在1100℃,0.1 s-1条件下应力水平达到250 MPa,且应力对热变形温度和应变速率敏感,动态再结晶是主要的软化机制。粗晶组织提高了合金动态再结晶临界变形温度和应变速率,如在变形量为60%,变形条件为1140℃,0.001 s-1和1180℃,0.001s-1才能发生完全动态再结晶。计算的粗晶GH4720Li合金热变形激活能Q=1171kJ/mol,较高的热变形激活能表明粗晶组织不利于热塑性变形和动态再结晶的发生。基于本研究,铸态GH4720Li合金开坯温度应高于1140℃,同时保证较低的应变速率,以确保动态再结晶的充分发生,实现枝晶组织破碎。     

GH4169合金热压缩变形行为与枝晶组织的关系

对铸态GH4169合金不同部位试样进行了不同热压缩试验,利用扫面电子显微镜、金相显微镜、EBSD研究了该合金在不同热压缩条件下的变形行为与枝晶组织的关系,并探讨了其机理。结果表明:高温热变形过程中,铸态GH4169合金的变形抗力与形变量、应变速率以及变形温度有关。变形量增大、应变速率增高、温度降低会导致变形抗力增大。当变形量为45%时,高应变速率和高温对动态再结晶更加有利。当加载方向与一次枝晶方向垂直时,材料的热变形机制为二次枝晶滑动,由此会导致应变速率敏感因子变大。初始组织为等轴枝晶的样品最有利于动态再结晶,中心粗柱状晶样品具有最大的变形抗力,而边缘细柱状晶样品再结晶比例最低、变形抗力最小。     

粗晶GH4720Li合金热变形行为与动态再结晶特点

为了模拟难变形镍基高温合金GH4720Li开坯锻造过程,采用Gleeble-3800热模拟试验机研究经均匀化处理的GH4720Li铸锭高温压缩变形时的力学流动行为,分析高温变形过程中微观组织演化规律。结果表明,GH4720Li合金在1100℃, 0.1 s~(-1)条件下应力水平达到250 MPa,且应力对热变形温度和应变速率敏感,动态再结晶是主要的软化机制。粗晶组织提高了合金动态再结晶临界变形温度和应变速率,如在变形量为60%,变形条件为1140℃, 0.001 s~(-1)和1180℃,0.001s~(-1)才能发生完全动态再结晶。计算的粗晶GH4720Li合金热变形激活能Q=1171kJ/mol,较高的热变形激活能表明粗晶组织不利于热塑性变形和动态再结晶的发生。基于本研究,铸态GH4720Li合金开坯温度应高于1140℃,同时保证较低的应变速率,以确保动态再结晶的充分发生,实现枝晶组织破碎。     

GH4169惯性摩擦焊接过程动态再结晶组织演化的数值模拟

利用MSC.Marc的热力耦合弹塑性有限元模拟技术,建立了GH4169环形件惯性摩擦焊接过程的二维热力耦合有限元模型。考虑到惯性摩擦焊接过程中的温度变化,采用叠加原理对Na Y S建立的GH4169动态再结晶数学模型进行调整。借助MSC.Marc二次开发,将动态再结晶数学模型和有限元模型相结合,对惯性摩擦焊接过程中GH4169合金的动态再结晶组织演化进行数值模拟,得到了焊接过程中的动态再结晶分数和平均晶粒尺寸分布。对接头的宏观形貌和焊缝区的微观组织进行观察分析,发现模拟结果与实验结果吻合较好。     

GH4169高温合金热变形力学性能研究

通过热模拟实验对GH4169高温合金热态变形过程中的力学性能进行研究,分析了初始晶粒尺寸、应变速率、变形温度等对GH4169合金热变形时峰值应力的影响。结果表明,该合金的峰值应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的增大而减小。该合金的流动应力随初始晶粒尺寸的增大而增大,其原因是该合金在热变形过程中发生了动态再结晶。确定了基于初始晶粒尺寸的峰值应力与热变形参数之间的关系式,确定了GH4169合金的变形激活能。     

晶粒尺寸对新型高强铝合金热变形行为的影响

利用Gleeble-3500试验机,在300~450℃和0.1~10 s~(-1)的变形条件下,研究了大规格铸锭晶粒尺寸的不均匀性对新型高强Al-7.68Zn-2.12Mg-1.98Cu-0.12Zr合金热变形行为的影响。SEM观察表明,大铸锭表层的晶粒尺寸比心层细小。热变形过程中,细晶组织(铸锭表层)的流变应力在高温和低应变速率条件下低于粗晶组织(铸锭心层)。计算得到表层和心层组织的热变形激活能分别为140和125.4 kJ/mol。基于位错密度理论,利用一种两阶段型本构方程分别预测了粗晶和细晶组织的流变应力,并建立了不同晶粒度组织的动态再结晶软化方程。电子背散射衍射(EBSD)观察表明,合金在300~400℃条件下发生动态回复,在450℃和低应变速率速(0.1 s~(-1))条件下出现动态再结晶(DRX)现象,动态再结晶晶粒在原始大角度晶界上形核。由于表层(细晶)组织的晶界密度高,因此其动态再结晶程度高于心层(粗晶)组织。     

单晶DD3与细晶FGH4095高温合金摩擦焊接头组织

对单晶DD3与粉末细晶FGH4095高温合金摩擦焊接接头,采用光学显微镜及SEM-EDS分析了接头组织、焊合区成分变化及接头连接机理.结果表明,焊合区两侧材料均形成了动态再结晶晶粒;连接界面位于两侧动态再结晶晶粒之间;连接界面两侧合金元素发生了扩散;两侧动态再结晶晶粒均有向对方弓形凸入长大的趋势,通过形成共同晶粒,实现两种异质材料的连接;FGH4095侧的动态再结晶晶粒向DD3一侧长大的趋势较大.DD3与FGH4095摩擦焊接过程中发生了摩擦面转移,实际的摩擦变形主要在DD3摩擦带内部,接头组织变化梯度大.     

GH738合金在不同变形条件下的再结晶过程

通过压缩锥形试样研究了温度和变形程度对GH738合金微观组织的影响,分析了不同变形程度下,合金的再结晶晶粒尺寸、再结晶体积分数和平均晶粒尺寸的演化情况,为制定GH738合金热态变形工艺提供了理论依据。研究结果表明,随着温度升高,再结晶晶粒尺寸变大;随变形程度减小,再结晶体积分数逐渐减小。在不同变形程度下,在1120℃温度时变形可获得较高的再结晶体积分数和较均匀的再结晶晶粒尺寸;当加热温度1100～1140℃范围内,变形程度大于28%时,可以获得晶粒尺寸较为均匀的微观组织。     

GH2132摩擦焊接过程中焊接区金属的再结晶过程

采用在摩擦焊接过程中不同时刻停车迅速冷却的方法，研究了ＧＨ２１３２材料摩擦焊接过程中的动态及静态再结晶过程。通过回归分析，建立了动态再结晶晶粒尺寸与温度，应变速率之间的定量关系。     

FGH96合金的热塑性变形行为和工艺

通过高温热压缩实验,得到了不同温度和不同应变速率条件下热等静压FGH96合金的真应力-应变曲线,在此基础上,建立了FGH96合金热塑性变形过程中的热加工图.通过对材料微观组织、应力应变响应及热加工图的对比分析,确定了优化的热塑性锻造窗口,提出了FGH96合金细晶盘坯锻造工艺.根据优化的热塑性锻造窗口,利用等温锻造工艺锻造出无开裂的细晶粒盘坯.     

GH4169合金盘件热变形后不同冷却速率条件下的组织模拟

对GH4169合金涡轮盘锻件进行模拟研究,利用有限元模拟软件结合二次开发对热变形后的涡轮盘的锻后温度及应变的分布规律进行模拟预测。同时,对热变形后盘件进行不同冷却速率的显微组织模拟预测研究。结果显示：该热变形计算流程方法可行,可以实现不同冷却速率下显微组织的模拟;显示热变形后的涡轮盘经过水冷、油冷和空冷等冷却,冷却速率越快晶粒越细小,而再结晶分数越少。该结果对实际GH4169合金涡轮盘锻造热加工可提供指导。     

线性摩擦焊IN718接头微观组织与织构演变

不同工艺参数下对IN718高温合金进行了线性摩擦焊接试验，采用OM，SEM，EBSD等对接头微观组织与织构进行了表征.结果表明，在摩擦压力169 MPa、振幅3 mm、频率35 Hz、摩擦时间6 s参数组合下获得的接头质量相对较好，但在焊缝端部仍能发现氧化物和碳化物.焊缝区δ相完全溶解，残留少量NbN；而热力影响区δ相部分溶解，部分晶界发生液化并伴有Laves相的产生.焊缝区发生了充分动态再结晶，呈现为等轴细晶组织，并在剪切力的作用下出现了明显剪切织构C（100）[011]，而热力影响区发生部分动态再结晶，形成了（335）[186]织构.     

GH4169合金楔横轧微观组织演变及动态再结晶机制

采用金相显微镜和电子背散射衍射(EBSD)技术分析了楔横轧制备的GH4169合金轧件的微观组织演变和动态再结晶机制;利用数值分析方法获得了楔横轧过程中等效应变、应变速率和温度的相互关系和变化规律,并探讨对楔横轧GH4169合金动态再结晶的影响。结果表明,楔横轧的变形特点是导致GH4169合金组织均匀和动态再结晶机制不同的主要原因,较大的断面收缩率有利于组织均匀化;轧件表面以非连续动态再结晶机制为主,而心部以连续动态再结晶机制为主。